活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭含氧官能团对甲酚吸附影响

　　水资源中存在合成有机污染物已成为一个严重的环境问题。此类污染物对水体的污染是工业活动快速发展的直接后果。在工业废水排放的大量有机污染物中，酚类化合物是主要的污染物化合物，p-甲酚(4-甲基苯酚)是苯酚的衍生物之一，对人类和环境都构成重大风险。它经常在各种化学和相关行业产生的废水中检测到，例如石化、炼油厂、纸浆和造纸厂、钢铁厂、陶瓷厂、焦化厂、聚合物树脂制造、煤转化和苯酚生产行业。因此，从水体中减少此类污染物仍然是一项关键挑战。吸附技术是现代技术之一，越来越多地用于解决各种环境问题，特别是克服水质恶化问题。这次研究了活性炭吸附剂上的甲酚和氧官能团对甲酚吸附的特定作用。

　　吸附质对活性炭的吸附很大程度上取决于活性炭的化学和物理特性。物理特性归因于活性炭的孔结构和表面积，而化学特性很大程度上取决于活性炭表面的功能。在各种官能团中，含氧官能团是迄今为止常见和比较丰富的基团。这些官能团要么来源于碳化过程中的原料，要么是在活化过程中引入的。官能团的数量和性质很大程度上取决于碳表面的性质、其表面积和活化条件。羧基、羟基、羰基和酮基是最丰富的含氧官能团，已发现此类含氧官能团显着影响活性炭的吸附性质。虽然很多活性炭去除甲酚的实验工作，但了解吸附机制以及含氧官能团对吸附过程影响的研究非常有限。因此，深入研究甲酚和原始/功能化活性炭之间的相互作用将为吸附过程提供进一步的见解。在当今的研究中，理论DFT计算被认为是表面科学中预测吸附剂和被吸附物之间相互作用机制的有力工具之一。在这方面，已经进行了各种研究以通过采用DFT计算来了解酚在活性炭表面上的吸附机制。

　　活性炭对甲酚的吸附

　　预计甲酚在活性炭上的吸附将通过各种类型的相互作用进行，例如电子供体-受体机制、静电相互作用、π-π相互作用和氢键形成。然而，在各种类型的相互作用中，活性炭和被吸附物之间的氢键是有助于吸附过程的重要相互作用类型之一。因此，在本研究中，使用DFT方法研究了对甲酚和活性炭之间的氢键相互作用。考虑到它们之间的氢键，研究了对甲酚与原始活性炭和功能化活性炭的相互作用。图1代表各种相互作用的优化结构。

　　图1：表示(a)C7H7-OH-C-活性炭,(b)C7H7-HO-HOOC-活性炭,(c)C7H7-OH-OHC-活性炭的优化结构，和(d)C7H7-HO-HO-活性炭相互作用。

　　-COOH功能化活性炭对甲酚的吸附

　　对甲酚与羧基官能化活性炭的吸附是通过甲酚和活性炭-COOH之间的两个氢键键合而发生的。活性炭-COOH的氢原子与甲酚的氧原子之间形成一个氢键，而活性炭-COOH的氧原子与甲酚的羟基氢之间存在另一个氢键。两种类型的氢键分别由C7H7-OH-OHOC-活性炭和C7H7-HO-HOOC-活性炭表示。图1b表示C7H7的优化相互作用结构-OH和活性炭-COOH。在活性炭-COOH和甲酚的相互作用下，活性炭-COOH和甲酚的O-H键长分别从0.98Å延长到1.01Å和0.97Å到0.99Å。C7H7-OH-OHOC-活性炭和C7H7-HO-HOOC-活性炭的键距分别为1.87Å和0.68Å，而吸附能为-63.62kJ/mol。这些观察表明甲酚与-COOH官能化活性炭相互作用的有利性。

　　–CHO功能化活性炭上的甲酚吸附

　　活性炭-CHO对对甲酚的吸附是通过形成C7H7-OH-OHC-活性炭型相互作用进行的，其中甲酚的羟基氢原子与活性炭-CHO的氧原子相互作用。优化后的交互结构如图1c所示。甲酚与活性炭-CHO相互作用后，甲酚的O-H键距离从0.97Å增加到0.99Å，而活性炭-CHO的C=O键长度从1.24Å增加到1.25Å。这些观察结果表明，由于C7H7-OH-OHC-活性炭相互作用形成了更强的H甲酚-O活性炭-CH和O键，O-H和C=O键变得更弱。H甲酚-O与活性炭-CHO键距为1.72Å，而吸附能为-49.99kJ/mol。短的H甲酚-O与活性炭-COOH键长和高负能量表明甲酚和活性炭-CHO之间的C7H7-OH-OHC-活性炭型相互作用是有利的。

　　–OH功能化活性炭对甲酚的吸附

　　对甲酚与-OH官能化活性炭的相互作用有利地通过羟基氢原子与甲酚和活性炭-OH的氧原子之间形成氢键而发生。该相互作用由C7H7-HO-HO-活性炭表示。图1d表示优化后的结构。吸附后，活性炭的O-H键从0.97Å伸长到1Å，表明电子密度向O甲酚-H和活性炭-OH键移动。电子云向吸附位点的这种位移导致更强的C7H7-HO-HO-活性炭相互作用。O甲酚-H的键距活性炭-OH为1.65Å，C7H7-HO-HO-活性炭体系的吸附能为-54.73Å，表明相互作用是通过化学吸附进行的。

　　相对吸附能

　　对对甲酚分子与原始活性炭、活性炭-COOH、活性炭-OH和活性炭-CHO相互作用的吸附能进行了比较研究，以确定甲酚吸附的最佳可能相互作用类型。图2给出了能量分布图。对甲酚与原始和功能化活性炭的吸附能显示出较高的负能，表明甲酚与原始和功能化活性炭的相互作用是有利的。然而，与功能化活性炭相比，原始活性炭对甲酚的吸附能更负，表明原始活性炭，即具有高度不饱和度的活性炭，将更有利于甲酚吸附。

　　图2：甲酚吸附到原始和功能化活性炭上的相对能量图。

　　本期研究提供了对甲酚与原始和功能化活性炭相互作用的新认识。发现甲酚在原始、羟基官能化活性炭、羰基官能化活性炭和羧基官能化活性炭上的吸附是有利的，高吸附能表明甲酚和活性炭之间存在化学吸附类型的相互作用。与官能化活性炭相比，原始活性炭对甲酚的吸附更强，而在氧官能团中，与羟基和羰基相比，含活性炭的羧基与甲酚的相互作用更有利，这归因于两种类型的形成羧基活性炭与甲酚同时形成氢键。该研究表明，在活性炭表面引入羧基官能团将有利于甲酚吸附。这些理论发现的结果可以为开发和生产具有高甲酚吸附效率的活性炭提供有价值的指导。

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